陆地生态系统植物多样性对矿质元素输入的响应

人类活动的加剧改变了陆地生态系统矿质元素(如氮、磷、钾等)循环的速度和方向,并且对生态系统的结构和功能也产生重要影响。如今,矿质元素输入量的改变及其产生的后续效应对陆地生态系统生物多样性的影响备受学者们的关注。从4个方面综述了全球氮沉降背景下主要矿质元素输入的改变对陆地植物多样性的影响及其机理:1)矿质营养元素限制的概念、确定方法以及与植物多样性的耦合关系;2)概述了氮、磷、钾等主要矿质元素输入对陆地植物多样性的影响:主要表现为负面效应;3)探讨了矿质元素输入影响植物多样性的可能机制,包括生态系统水平上的机制(如竞争排斥、酸化铝毒、物种入侵、同质性假说,间接诱导机制等)和植物个体水平上的机制(如元素失衡和环境敏感性增加等);4)根据目前研究现状,指出了已有研究的局限性,分析了未来可能的研究方向和重点。     

外源碳输入对陆地生态系统碳循环关键过程的影响及其微生物学驱动机制

外源碳输入对土壤碳源可利用性的改变不仅直接影响着微生物参与陆地生态系统的碳循环过程,而且也制约着微生物对其它营养元素的需求。在大气氮沉降持续增加的全球变化背景下,部分地区已出现生态系统氮养分条件的显著变化甚至土壤中活性氮素的过量积累,进而带来微生物对碳源需求的增加。通过人为调控碳源的可利用性,改善微生物的碳限制状况,将对科学的增加陆地生态系统固碳能力具有极为重大的意义。综述了国内外有关外源碳输入对土壤碳排放、凋落物分解以及土壤碳库影响及其主要的微生物作用机制的相关研究结果,以期能够为未来氮沉降持续增加情景下,如何科学有效地提高生态系统的碳汇潜力提供一定的参考。     

报春巨苔的野外回归研究

中国科学家研究发现,大气氮沉降通过诱导土壤酸化效应,引起富氮森林生态系统的植物多样性显著减少。过去一般认为,大气氮沉降将降低氮限制生态系统的生物多样性而对富氮生态系统的影响甚微,人们认为在氮限制的生态系统中,氮的增加更有利于喜氮植物的生长,使其在竞争中处于优势;而在富氮的生态系统中,氮的增加对植物生长的影响不大。新研究不仅填补了国际上热带和亚热带区域氮沉降对森林植物多样性影响研究的空白,同时表明了氮沉降可能威胁“富氮”森林的植物多样性。     

大气氮沉降影响草地植物物种多样性机制研究综述

大气氮沉降对草地生态系统结构和功能的影响已成为全球变化生物学研究重点。大气氮沉降导致草地群落物种多样性降低已成为全球普遍现象,但其生物学机制还不清楚,因此有必要系统梳理大气氮沉降对全球不同草地生态系统的研究结果,以便在氮沉降背景下为我国草地生态系统的研究和管理制定科学决策。系统综述了氮沉降降低草地群落物种多样性的可能机制,主要包括资源竞争排斥、群落更新限制、土壤酸化及其离子毒害、养分失衡、氮素本身的毒害、次生胁迫。氮沉降导致草地物种多样性降低是多种机制综合作用的结果,每种机制在不同时空具有不同的相对贡献。同时,与欧洲酸性土壤草地和美国高草草原相比,我国草地土壤类型和植被属性具有明显差异。因此,应根据我国草地生态系统的特征、不同植物功能利用养分策略,从土壤养分变化、根系养分吸收转运、叶片生理过程等方面的整合研究思路,探讨氮沉降影响我国草地群落物种多样性的生物学机制,为我国草地生态系统的科学管理提供理论依据。     

氮添加对森林植物磷含量的影响及其机制

氮沉降对森林生态系统磷循环产生了不可忽视的影响, 尤其是加剧了植物生长的磷限制, 从而使得氮沉降背景下植物磷含量变化备受关注。该文综述了氮添加对森林植物磷含量的影响, 认为氮添加通过促进土壤磷酸酶活性进而提高土壤有效磷含量, 有利于植物的磷吸收并增加植物磷含量。同时, 森林植物磷含量对氮添加的响应还受物种、生活型以及施氮时间长短等因素的影响。基于森林植物磷含量对氮添加响应的差异性, 该文进一步探讨氮富集背景下森林植物磷含量变化的可能机制: 1)外源氮输入通过改变土壤中有效磷含量从而对植物磷的来源产生影响; 2)通过影响植物的根系分泌物、菌根共生和根系形态结构等进而影响植物的磷吸收能力; 3)通过影响植物的磷养分再分配、磷养分重吸收对植物磷利用效率产生影响。综上所述, 外源氮输入使植物磷含量发生改变, 首要原因是土壤有效磷含量的改变, 其次是植物磷吸收能力和磷利用效率的改变起调控作用。     

干旱半干旱区氮沉降生态效应研究进展

随着人类活动干扰的加剧以及全球气候变化,大气氮沉降的生态效应日益成为人们关注的焦点.氮沉降的增加能够带来生态系统结构和功能的改变,引起一系列生态效应.氮沉降对干旱半干旱地区生态系统的影响主要包括以下方面:(1)在干旱半干旱地区,氮沉降主要以脉冲形式进入氮循环进而影响其它生态过程;(2)氮沉降能够增加土壤氮矿化和土壤无机氮浓度,但氮循环还会受许多其它因素的影响;(3)氮沉降对土壤微生物代谢活动有很强的促进作用,但对其生物量的影响存在争议;(4)氮沉降能够影响植物生产力、根的生长,其效应主要受到水的调节作用;(5)氮沉降能够降低本地种的物种丰富度,有利于外来1年生物种的入侵.     

丛枝菌根真菌形态结构、物种多样性和群落组成对氮沉降响应研究进展

工业革命以来,人类活动输入到生态系统中的氮迅速增加,已突破地球所能承受的氮循环阈值。过量氮沉降会造成生物多样性丧失等一系列危害,严重影响生态系统结构和功能。丛枝菌根(AM)真菌能够与大约70%-80%的陆地植物种类形成共生关系,在宿主植物养分吸收、抵抗外界不良环境压力、群落动态和物种共存、生物地球化学循环等方面具有重要的作用。探究AM真菌对氮沉降的响应对认识和把握菌根真菌缓解氮沉降的负面后果,维持生态系统的结构和功能具有重要意义。本文综述了AM真菌的形态结构、物种多样性和群落组成等对氮沉降的响应机制。前人研究表明氮沉降通常降低AM真菌的根系定殖率,减少根外菌丝密度和土壤孢子密度,改变菌丝生长的时间动态;降低AM真菌多样性,改变AM真菌群落组成。氮沉降主要通过缓解植物氮限制、降低植物对菌根的依赖性、减少植物对菌根的碳分配、改变根系和土壤中菌根生物量比率、在植物根内维持稳定的菌根真菌组成作为应对未来扰动的“保险”、改变土壤资源有效性及土壤酸度等直接和间接途径影响AM真菌结构和功能。我们建议在未来研究中整合多组学手段、开展学科交叉,聚焦复杂的生物互作体系对氮沉降的响应机制,以及AM真菌对氮沉降响应的生态后果。     

光氮耦合作用对化香幼苗碳平衡的影响

为了研究大气氮沉降和次生林冠层郁闭度增加对化香幼苗更新的影响,本文通过模拟鄂东南典型次生林光环境和土壤氮素供给的变化趋势,研究了化香幼苗叶功能性状、生物量分配及气体交换对光氮变化的响应,最后应用全株碳平衡模型模拟了整株光补偿点的变化（LCP_-wholeplant）。结果表明：光对化香幼苗叶功能性状和生物量分配均存在显著影响,氮素供给增加对其叶功能性状和生物量分配影响不明显,但是,光和氮素供给互作对根质量比（RMR）影响显著。幼苗叶片的表观量子效率（Ф）、最大光合速率（A_max）在郁闭光（3.0%,6.0%透光率）下随氮素供给增加而降低,在林窗光条件下（12.0%,25.0%透光率）随氮素供给增加而增加。富氮营养导致郁闭条件下（6.0%,3.0%透光率）化香幼苗的整株光补偿点（LCP_-wholeplant）升高,但却导致林窗条件下（25.0%,12.0%透光率）化香幼苗的整株光补偿点（LCP_-wholeplant）降低。因此,大气氮沉降将使化香种群更加依赖于林窗和干扰更新。     

氮沉降增加情景下植物-土壤-微生物交互对自然生态系统土壤有机碳的调控研究进展

大气氮沉降增加倾向于促进受氮限制陆地生态系统地上生物量,但是对地下碳过程和土壤碳截存的影响结果迥异,导致陆地生态系统“氮促碳汇”的评估存在很大的不确定性。大气氮沉降输入直接影响微生物活性或间接影响底物质量,改变凋落物和土壤有机质(SOM)的分解速率和分解程度,进而影响土壤有机碳(SOC)的积累与损耗过程。过去相关研究主要集中在土壤碳转化过程和碳储量动态方面,缺乏植物-微生物-SOM交互作用的理解,对土壤碳截存调控的生物化学和微生物学机理尚不清楚。本文以地下碳循环过程为主线,分别综述了氮沉降增加对植物地下碳分配、SOC激发效应、微生物群落碳代谢过程的影响,深入分析SOM化学稳定性与微生物群落动态的关系。该领域研究的薄弱环节体现在:(1)增氮倾向于降低根系的生长和周转,对根际沉积碳分配(数量和格局)的影响及驱动因素不明确;(2)虽然认识到氮素有效性影响土壤激发效应的方向和强度,但是氧化态NO-3和还原态NH+4输入对有机质激发效应的差异性影响及潜在机理知之甚少;(3)微生物碳利用效率(CUE)是微生物群落碳代谢的关键表征,能够很好地解释土壤碳的积累与损耗过程;由于缺乏适宜的测定方法,难以准确量化土壤微生物的CUE及微生物生物量的周转时间;(4)增氮会抑制土壤真菌群落及其胞外酶活性,对细菌群落组成的影响尚未定论,有关SOM化学质量与土壤微生物群落活性、组成之间的耦合关系尚不清楚。未来研究应基于长期的氮添加控制实验平台,结合碳氧稳定性同位素示踪、有机质化学、分子生物学和宏基因组学等方法,深入分析植物同化碳的地下分配规律、微生物碳代谢和周转、有机质化学结构与功能微生物群落的耦合关系等关键环节。上述研究将有助于揭示植物-土壤-微生物交互作用对SOC动态的调控机制,完善陆地生态系统碳-氮耦合循环模型,有效降低区域陆地碳汇评估的不确定性,并可为陆地生态系统应对全球变化提供科学依据。     

陆地生态系统植物的氮源及氮素吸收

氮是植物生长发育所必需的营养元素,也是其主要的限制因子之一.陆地生态系统植物所需氮的来源及植物对氮素的吸收利用均受控于其种类和生长环境.环境条件的改变,一方面可能改变植物生长区原有氮的形态、浓度、赋存方式等,从而改变氮对植物的供给状况;另一方面可能引起植物生长区土壤质量、水分利用状况、光照等的改变,从而产生耦合现象,直接影响植物的生理生态特性,使植物对氮素的吸收利用发生改变,导致植物生长区的种群类型及物种多样性发生改变,并直接影响到生态系统的功能及演替.本文主要对陆地生态系统中高等植物生长发育所需氮素的来源及植物对氮素吸收利用过程中的影响因素进行了综述和讨论,并结合国内外在该领域的研究现状对其研究前景进行了展望.     

氮添加对中国陆地生态系统植物-土壤碳动态的影响

近年来,中国大气氮沉降水平不断增加,过量的活性氮输入深刻影响了我国陆地生态系统碳循环。虽然已有大量的研究报道了模拟氮添加实验对我国陆地生态系统碳动态的影响,但是由于复杂的地理条件和不同的施氮措施,关于植物和土壤碳库对氮添加的一般响应特征和机制仍存在广泛争议。因此,采用整合分析方法,收集整理了172篇已发表的中国野外氮添加试验结果,在全国尺度上探究氮添加对我国陆地生态系统植物和土壤碳动态的影响及其潜在机制。结果表明,氮添加显著促进了植物的碳储存,地上和地下生物量均显著增加,且地上生物量比地下生物量增加得多。同时,氮添加显著增加了凋落物质量,但对细根生物量没有显著影响。氮添加显著降低了植物叶片、凋落物和细根的碳氮比。总体上,氮添加显著增加了土壤有机碳含量并降低了土壤pH值,但对可溶性有机碳、微生物生物量碳和土壤呼吸的影响并不显著。在不同的地理条件下,土壤有机碳含量对氮添加的响应呈现增加、减少或不变的不同趋势。回归分析表明,地上生物量与土壤有机碳含量之间,以及微生物生物量碳与土壤有机碳含量之间呈负相关关系。虽然氮添加通过增加凋落物质量显著促进了植物碳输入,但同时也会通过刺激微生物降解来增加土...     

15N自然丰度法在陆地生态系统氮循环研究中的应用

随着氮沉降的不断增加以及人们对全球变化问题的日益关注, 稳定同位素技术在全球变化研究中得到广泛的应用。因为植物和土壤的氮同位素组成记录了氮循环影响因子的综合作用, 并且具有测量简单以及不受取样时间和空间限制的优点, 所以氮同位素自然丰度法被用于氮循环的研究中。该文从氮循环过程中植物和土壤的氮分馏入手, 总结国内外相关文献, 阐述了植物和土壤氮自然丰度在预测生态系统氮饱和和氮循环长期变化趋势中的应用; 总结了利用树轮δ ¹⁵N法研究氮循环过程中应该注意的事项以及目前尚未解决的问题。     

森林生态系统碳循环对全球氮沉降的响应

森林土壤和植被储存着全球陆地生态系统大约46%的碳,在全球碳平衡中起着非常重要的作用。过去几十年来,森林生态系统的碳循环和碳吸存受到了全球氮沉降的深刻影响,因为氮沉降改变了陆地生态系统的生产力和生物量积累。以欧洲和北美温带森林区域开展的研究为基础,综述了氮沉降对植物光合作用、土壤呼吸、土壤DOM及林木生长的影响特征和机理,探讨了森林生态系统碳动态对氮沉降响应的不确定性因素。热带森林C、N循环与大部分温带森林不同,人为输入的氮对热带生态系统过程的影响也可能不同,因此指出了在热带地区开展碳氮循环耦合研究的必要性和紧迫性。     

增氮对青藏高原东缘典型高寒草甸土壤有机碳组成的影响

土壤有机碳动态是陆地生态系统碳平衡研究的关键环节,有关青藏高原高寒草甸土壤有机碳组成对大气氮沉降增加的响应研究至今尚未开展。基于中国科学院海北生态站的大气氮沉降模拟控制实验平台,于2010年5月、7月和9月中旬分别测定不同施氮处理下0—10cm、10—20cm、20—30cm土壤中粗颗粒态有机碳(CPOC)、细颗粒态有机碳(FPOC)和矿质结合有机碳(MOC)含量,研究不同施氮类型(NH4Cl,(NH4)2SO4和KNO3)和施氮水平(0、10、20、40 kgN.hm-.2a-1)对土壤POC和MOC含量以及POC/MOC比值的影响。结果表明:青藏高原高寒草甸土壤POC积聚在土壤表层,占总土壤有机碳(SOC)含量的64%以上,稳定性较差。施氮水平显著改变了土壤CPOC、FPOC和MOC含量,而施氮类型的影响不显著。不同月份土壤POC和MOC含量对增氮的响应不同,反映了SOC组分对增氮响应的时间异质性。在生长季中期,施氮倾向于增加表层土壤POC含量,而在生长季初期和末期恰好相反。土壤MOC对增氮的响应不敏感。另外,施氮显著降低生长季初期表层土壤POC/MOC比例,SOC稳定性增加。表明,青藏高原高寒草甸土壤有机碳活性组分较高,未来大气氮沉降增加短期内即可降低活性有机碳含量,相应地改变了其组成和稳定性。     

氮输入对东北土壤碳蓄积氮素利用效率的影响

由于人类活动影响,通过沉降和施肥方式进入生态系统的活性氮显著增加,其对土壤有机碳库产生重要影响。氮素利用效率(NUE)作为深入理解陆地生态系统碳氮耦合关系的重要参数,对NUE时空规律的研究不仅可以评估目前氮输入对陆地生态系统碳汇增加的贡献,同时也有助于预测未来氮输入情况下陆地生态系统的碳平衡。利用生态系统过程模型——CEVSA2模型的模拟结果,分析了东北地区氮输入情况下,土壤碳的氮素利用效率(SNUE)的时空变化规律及其影响因素,结果表明:(1)1961—2010年,氮输入的显著增加促进了土壤碳的蓄积,但SNUE显著下降;(2)森林的平均SNUE最高,农田最低;灌丛的下降速率最大,森林的SNUE变化趋势最不显著;(3)三江平原和长白山地区以及大小兴安岭的部分地区SNUE最大,其次是辽河平原、松嫩平原地区;内蒙古高原、呼伦贝尔高原地区以及大、小兴安岭的部分地区SNUE出现负值,说明在这些地区,外援氮输入抑制了土壤碳的蓄积;(4)氮输入的空间分异和不同生态系统响应氮输入的差异共同决定了SNUE及其变化的空间格局。该研究结果可为进一步分析不同区域氮促汇潜力和预测未来氮输入情景下的区域碳平衡提供参考。     

Reconciling multiple impacts of nitrogen enrichment on soil carbon: plant,microbial and geochemical controls

Impacts of reactive nitrogen (N) inputs on ecosystem carbon (C) dynamics are highly variable, and the underlying mechanisms remain unclear. Here, we proposed a new conceptual framework that integrates plant, microbial and geochemical mechanisms to reconcile diverse and contrasting impacts of N on soil C. This framework was tested using long‐term N enrichment and acid addition experiments in a Mongolian steppe grassland. Distinct mechanisms could explain effects of N on particulate and mineral‐associated soil C pools, potentially explaining discrepancies among previous N addition studies. While plant production predominated particulate C changes, N‐induced soil acidification strongly affected mineral‐associated C through decreased microbial growth and pH‐sensitive associations between iron and aluminium minerals and C. Our findings suggest that effects of N‐induced acidification on microbial respiration and geochemical properties should be included in Earth system models that predict ecosystem C budgets under future N deposition/input scenarios.     

Spatially explicit estimate of nitrogen effects on soil respiration across the globe

Soil respiration (Rs), as the second largest flux of carbon dioxide (CO₂) between terrestrial ecosystems and the atmosphere, is vulnerable to global nitrogen (N) enrichment. However, the global distribution of the N effects on Rs remains uncertain. Here, we compiled a new database containing 1282 observations of Rs and its heterotrophic component (Rh) in field N manipulative experiments from 317 published papers. Using this up-to-date database, we first performed a formal meta-analysis to explore the responses of Rs and Rh to N addition, and then presented a global spatially explicit quantification of the N effects using a Random Forest model. Our results showed that experimental N addition significantly increased Rs but had a minimal impact on Rh, not supporting the prevailing view that N enrichment inhibits soil microbial respiration. For the major biomes, the magnitude of N input was the main determinant of the spatial variation in Rs response, while the most important predictors for Rh response were biome specific. Based on the key predictors, global mapping visually demonstrated a positive N effect in the regions with higher anthropogenic N inputs (i.e., atmospheric N deposition and agricultural fertilization). Overall, our analysis not only provides novel insight into the N effects on soil CO₂ fluxes, but also presents a spatially explicit assessment of the N effects at the global scale, which are pivotal for understanding ecosystem carbon dynamics in future scenarios with more frequent anthropogenic activities.     

模拟大气氮沉降对中国森林生态系统影响的研究进展

人类活动加剧了活性氮的生产和排放,并导致氮沉降日益增加并全球化。目前,人类活动对全球氮循环的干扰已经超出了地球系统安全运行的界限。中国已成为全球氮沉降的高发区域,高氮沉降已经威胁到生态系统的健康和安全,并成为生态文明建设过程中亟待理清和解决的热点问题。对国际上和中国森林生态系统模拟氮沉降研究的概况进行了综述,并从生物学和非生物学两大过程重点阐述模拟氮沉降增加对中国主要森林生态系统影响的研究进展。中国自2000年以后才开始重视大气氮沉降产生的生态环境问题,中国科学院华南植物园在国内森林生态系统模拟氮沉降试验研究上做出了开创性的贡献。模拟氮沉降研究表明,持续高氮输入将会显著改变森林生态系统的结构和功能,并威胁生态系统的健康发展,特别是处于氮沉降热点区域的中国中南部。森林生态系统的氮沉降效应依赖于系统的氮状态、土地利用历史、气候特征、林型和林龄等。最后,对未来的研究提出了一些建议,包括加强长期跟踪研究和不同气候带站点之间的联网研究,特别是在森林生态系统对长期氮沉降响应与适应的过程机制、地下碳氮吸存潜力研究、以及与其他全球变化因子的耦合研究等方面,以期为森林生态系统的可持续发展提供理论基础和管理依据。     

Effects of nitrogen deposition and insect herbivory on patterns of ecosystem-level carbon and nitrogen dynamics: results from the CENTURY model

Atmospheric nitrogen deposition may indirectly affect ecosystems through deposition-induced changes in the rates of insect herbivory. Plant nitrogen (N) status can affect the consumption rates and population dynamics of herbivorous insects, but the extent to which N deposition-induced changes in herbivory might lead to changes in ecosystem-level carbon (C) and N dynamics is unknown. We created three insect herbivory functions based on empirical responses of insect consumption and population dynamics to changes in foliar N and implemented them into the CENTURY model. We modeled the responses of C and N storage patterns and flux rates to N deposition and insect herbivory in an herbaceous system. Results from the model indicate that N deposition caused a strong increase in plant production, decreased plant C : N ratios, increased soil organic C (SOC), and enhanced rates of N mineralization. In contrast, herbivory decreased both vegetative and SOC storage and depressed N mineralization rates. The results suggest that herbivory plays a particularly important role in affecting ecosystem processes by regulating the threshold value of N deposition at which ecosystem C storage saturates; C storage saturated at lower rates of N deposition with increasing intensity of herbivory. Differences in the results among the modeled insect herbivory functions suggests that distinct physiological and population response of insect herbivores can have a large impact on ecosystem processes. Including the effects of herbivory in ecosystem studies, particularly in systems where rates of herbivory are high and linked to plant C : N, will be important in generating accurate predictions of the effects of atmospheric N deposition on ecosystem C and N dynamics.